Sıcaklık ve ısı
Sıcaklık bir sistemin termal durumunu tanımlar; ısı Q ise sıcaklık farkı nedeniyle aktarılan enerjidir. Aynı şey değildir: küçük ve çok sıcak bir cismin toplam termal enerjisi büyük ama daha soğuk bir cisimden az olabilir.
Etkileşimli hesaplama
Model ve temel bağıntı
Faz değişimi yoksa Q=mcΔT bağıntısı sık kullanılır. Burada c özgül ısıdır ve incelenen sıcaklık aralığında yaklaşık sabit kabul edilmelidir.
Bağıntı her zaman varsayımlarıyla birlikte okunmalıdır. SI birimleri, vektörlerin yönü ve referans sisteminin seçimi yalnızca gösterim ayrıntısı değildir; gerçekte hangi büyüklüğün hesaplandığını ve denklemin ek terim olmadan kullanılıp kullanılamayacağını belirler.
Fiziksel anlam
Termodinamik sıcaklık kelvin ile ölçülür ve mutlak sıfır 0 K sınırıdır. 1 K’lik sıcaklık farkı 1 °C’lik farka eşittir; ancak ölçeklerin sıfır noktaları farklıdır.
Fiziksel resim bir formülü ezberlemekten daha değerlidir. Hangi büyüklüğün enerji ya da momentum taşıdığını, hangi etkileşimin yanıtı oluşturduğunu ve hangi simetrinin problemi sadeleştirdiğini sormak gerekir. Böylece işaretin ve mertebenin anlamı açık hâle gelir.
Sonucu ne değiştirir
Faz değişiminde sıcaklık sabit kalırken enerji aktarılabilir: Q=mL. Sabit basınçta erime ya da kaynama sırasında ısıtma eğrisindeki plato bunun sonucudur.
İyi bir nicel denetim önce orantılara bakar. Bir uzunluk iki katına çıkarsa, kütle artarsa ya da alan şiddeti değişirse bağıntı sonucun doğrusal mı, karesel mi yoksa ters orantılı mı değişeceğini hemen gösterir. Bu, sayısal işlemden önce güçlü bir tutarlılık testidir.
Sınırlar ve ölçüm
Isı iletim, taşınım ve ışınım yoluyla aktarılır. Termal denge, sıcaklık farkından kaynaklanan net makroskopik enerji aktarımının kalmadığı durumdur.
Gerçek sistemlerde kayıplar, düzensizlikler ve ölçek sınırları bulunur. Ölçüm belirsizlikle birlikte yorumlanmalı ve ideal yaklaşımın hâlâ yeterli olup olmadığı sınanmalıdır. Küçük bir sapma mutlaka hesap hatası değildir; modelin doğal sınırını gösterebilir.
Yorum ve uygulama
Termodinamiğin birinci yasası ısıyı, işi ve iç enerjiyi bağlar. İşaretler kullanılmadan önce iş için seçilen işaret kuralı açıkça belirtilmelidir.
Uygulamada sonucu üç bağımsız yoldan denetleriz: boyutlar, işaret ve sınır davranışı. Bir parametre sıfıra yaklaşırken veya çok büyürken öngörü fiziksel olarak anlamlı kalmalıdır. Bu kontrol çoğu zaman aritmetiği baştan yapmaktan daha hızlı hata bulur.
Çözümlü alıştırmalar
Alıştırma 1
Hesaplayın: Q=mcΔT ile ısıyı hesaplayın. Verilenler: m=0,50 kg, c=4180 J·kg⁻¹·K⁻¹, ΔT=10 K.
Çözüm: Q=20,9 kJ
Alıştırma 2
Hesaplayın: Q=mcΔT ile ısıyı hesaplayın. Verilenler: m=0,20 kg, c=900 J·kg⁻¹·K⁻¹, ΔT=25 K.
Çözüm: Q=4,50 kJ
Alıştırma 3
Hesaplayın: Q=mcΔT ile ısıyı hesaplayın. Verilenler: m=0,10 kg, L=334 kJ·kg⁻¹.
Çözüm: Q=33,4 kJ